[논문 리뷰] Evaluation of a new cavitation erosion metric based on fluid-solid energy transfer in channel flow simulations

Gina M. Magnotti, Michele Battistoni외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 08.

Cavitation Phenomena in Pumps참고 문헌 16인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 분사기 노즐에서의 침식 잠복기(incubation period)를 예측하기 위해 누적 유체-고체 에너지 이행 기반의 새로운 캐비테이션 침식 지표를 제안한다. 채널 유동 시뮬레이션에서 유체-고체 상호작용 모델링을 피하기 위해 Eulerian 혼합 모델링을 사용한 결과, 최대 局부 압력보다 더 정확하게 침식 발생 이전의 잠복기를 포착하여 실험 데이터와의 검증을 통과했다.

ABSTRACT

Although there have been extensive investigations characterizing cavitation phenomenon in fuel injectors, much is still unknown about the mechanisms driving cavitation-induced erosion, and how these complicated physics should be represented in a model. In lieu of computationally expensive fluid-structure interaction modeling, the Eulerian mixture modeling approach has been accepted as an efficient means of capturing cavitation phenomena. However, there remains a need to link the erosive potential of cloud collapse events with the subsequent material deformation and damage of neighboring surfaces. Even though several cavitation erosion indices have been proposed in the literature, no single metric has been identified as universally applicable across all injector-relevant conditions. The objective of this work is to identify parameters that characterize the erosive potential of cavitation cloud collapse mechanisms that are likely to occur within injector orifices. While a commonly employed cavitation erosion metric, namely the maximum local pressure, was found to provide indications of potential sites for pitting and material rupture from single impact events, no additional information could be determined regarding the material erosion process. To improve representation of the incubation period within the cavitation erosion process, a new metric was derived based on cumulative energy absorbed by the solid material from repeated hydrodynamic impacts. Through evaluation of predicted cavitation cloud collapse events in a channel geometry against available experimental data, the stored energy metric yielded insight into the erosive potential of recorded impact events. The stored energy metric provided a means to accurately predict the influence of flow conditions on the incubation period before material erosion. ...

연구 동기 및 목표

• 분사기 유사 조건에서 일반적으로 적용 가능한 캐비테이션 침식 지표의 부족을 해결한다.
• 재료 침식 발생 시점 예측에 핵심적인 역할을 하는 캐비테이션 유도 침식의 잠복기 단계를 개선하여 모델링한다.
• 유체-구조 상호작용 시뮬레이션에 비해 계산 비용이 낮은 대안을 개발하여 침식 잠재력을 포착한다.
• 에너지 기반 지표를 통해 수압 충격 사건과 재료의 변형 및 손상 간의 연관성을 설정한다.
• 실험 데이터와의 검증을 통해 새로운 지표의 침식 발생 예측 능력을 평가한다.

제안 방법

• 비용이 많이 드는 유체-구조 상호작용 시뮬레이션을 피하기 위해 채널 기하구조에서 Eulerian 혼합 모델링을 사용하여 캐비테이션을 시뮬레이션한다.
• 각 시간 단계에서 붕괴하는 캐비테이션 클라우드가 고체 벽면으로 전달하는 에너지를 계산한다.
• 반복적인 충격 사건 동안 이 에너지를 누적하여 누적 저장 에너지 지표를 정의한다.
• 비교를 위해 최대 局부 압력을 기준 침식 지표로 사용한다.
• 저장 에너지 지표를 분사기 유사 기하구조에서의 침식 잠복기 실험 데이터와 상관관계를 분석한다.
• 다양한 유동 조건에서 저장 에너지 지표의 예측 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최대 局부 압력보다 누적 에너지 이행 지표가 캐비테이션 침식의 잠복기를 더 잘 예측할 수 있는가?
• RQ2 저장 에너지 지표는 분사기 유사 기하구조에서의 침식 발생 실험 관측과 얼마나 잘 상관관계를 가지는가?
• RQ3 새로운 지표는 침식 잠재력에 영향을 미치는 유동 조건의 영향을 어느 정도 잘 포착하는가?
• RQ4 저장 에너지 지표는 단일 충격 압력 이상의 재료 손상 메커니즘에 대해 추가적인 통찰을 제공하는가?
• RQ5 저장 에너지 지표는 전체 유체-구조 상호작용 모델의 신뢰할 수 있고 계산 비용이 낮은 대체 수 Mittel인가?

주요 결과

• 저장 에너지 지표는 재료 침식 발생 이전의 잠복기 영향을 유동 조건에 따라 성공적으로 예측하였다.
• 최대 局부 압력가 잠재적 펄서링 부위를 나타내기는 했지만 잠복기 정보를 제공하지 못하는 데 비해, 저장 에너지 지표는 침식의 점진적 성격을 잘 포착하였다.
• 압력 기반 지표보다 실험 데이터와의 상관관계가 향상되어 침식 발생 예측에 유리하였다.
• 반복적인 수압 충격에 의한 누적 에너지 흡수량은 피크 압력만 고려하는 것보다 침식 예측에 더 유용한 정보를 제공하였다.
• 반복적인 저강도 충격으로 인해 고립된 침식 잠재력이 높은 영역을 식별하는 데 저장 에너지 지표가 기여하였다.
• 유체-구조 상호작용 모델링에 비해 계산 비용이 낮으면서도 침식 잠복기 예측 정확도를 유지하는 방법을 제공하였다.